完全非接觸式液晶玻璃基板缺陷檢測(cè)技術(shù)研究

劉正勇 劉晏 王廣炎 陳友東

（1合肥欣奕華智能機(jī)器有限公司，合肥，230013；2北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京，100191）

0 引言

液晶面板是信息產(chǎn)業(yè)時(shí)代的核心部件之一，廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面。作為液晶面板的重要組成部分，液晶玻璃基板上密集分布著被稱為Pattern Line的電子線路，在制作過(guò)程中，由于Pattern Line的寬度和間距均在微米級(jí)，因此極易產(chǎn)生Pattern Line間的斷路和短路，且在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)不可避免地存在缺陷點(diǎn)（NG點(diǎn)），從而直接影響液晶顯示器產(chǎn)品的品質(zhì)和穩(wěn)定性。在生產(chǎn)過(guò)程中檢測(cè)出這些缺陷點(diǎn)并進(jìn)行分類，且對(duì)可修復(fù)的缺陷點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)，不僅可以提高最終產(chǎn)品質(zhì)量，還可以提高產(chǎn)品良品率、降低成本。

液晶玻璃基板檢測(cè)一般分為光學(xué)檢測(cè)和電學(xué)檢測(cè)兩種方法。光學(xué)檢測(cè)技術(shù)是一種共性技術(shù)，應(yīng)用廣泛[1-3]，針對(duì)這種技術(shù)的研究相關(guān)文獻(xiàn)也較多[4-9]。

光學(xué)檢測(cè)技術(shù)在液晶玻璃基板線路檢測(cè)方面有較多應(yīng)用，如文獻(xiàn)[4]介紹了投射電容屏ITO電路檢測(cè)用線陣CCD成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[5]研究了LCD基板線路的自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，此技術(shù)亦可用于玻璃基板的質(zhì)量檢測(cè)；文獻(xiàn)[6-8]主要介紹了基于機(jī)器視覺的液晶玻璃基板質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[9]研究了應(yīng)用幾何光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)玻璃基板厚度和彎曲度的CCD檢測(cè)方法。

光學(xué)檢測(cè)技術(shù)通過(guò)工業(yè)相機(jī)獲取玻璃基板表面電路光學(xué)圖像，并運(yùn)用復(fù)雜的算法[10]與電路標(biāo)準(zhǔn)形狀進(jìn)行比對(duì)，再根據(jù)其差異識(shí)別出Pattern Line的缺陷。由于Pattern Line非常密集，且玻璃基板尺寸較大（最大可達(dá)到3370mm×2940mm），利用光學(xué)檢測(cè)方法會(huì)涉及到大量的圖像處理工作，所以檢測(cè)基板所用的時(shí)間較長(zhǎng)[11]。同時(shí)，該方法難以識(shí)別Pattern Line細(xì)微的短路缺陷，且鏡頭及其配套部件成本高昂。

電學(xué)檢測(cè)技術(shù)根據(jù)Pattern Line存在缺陷時(shí)電氣特性的差異來(lái)檢測(cè)液晶玻璃基板的缺陷。該技術(shù)根據(jù)信號(hào)源端、信號(hào)檢出端的結(jié)構(gòu)形式又分為接觸式檢測(cè)技術(shù)[12-13]和非接觸式檢測(cè)技術(shù)。

早期的檢測(cè)設(shè)備采用接觸式檢測(cè)技術(shù)對(duì)玻璃基板Pattern Line的缺陷點(diǎn)進(jìn)行檢查，其原理如圖1所示，信號(hào)首先由探針傳輸至Pattern Line一端，然后再由探針從Pattern Line另一端檢出并傳送至放大電路，最后通過(guò)精密驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)檢測(cè)部件沿著Pattern Line橫向移動(dòng)，即可完成玻璃基板全部Pattern Line的檢測(cè)。當(dāng)Pattern Line發(fā)生斷路或者與相鄰的Line短路時(shí)，接收端信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)異常，通過(guò)檢測(cè)接收端的輸出電壓即可判斷Pattern Line是否存在缺陷點(diǎn)。

圖1 接觸式檢測(cè)原理

這種接觸式電學(xué)檢測(cè)方式會(huì)存在以下不足：

1）由于檢測(cè)過(guò)程中探針需要接觸玻璃基板，對(duì)玻璃基板造成劃傷的風(fēng)險(xiǎn)很大，且檢測(cè)速度低，因此只能對(duì)玻璃基板進(jìn)行抽檢。

2）由于探針直徑僅為幾十微米，極易磨損和消耗，需要定期更換探針，這不僅降低設(shè)備檢測(cè)效率，也增加了設(shè)備使用成本。

3）不能柔性對(duì)應(yīng)玻璃基板配線的變化，并且隨著最終顯示屏產(chǎn)品大小及分辨率的變化，需要不斷更換探針。

4）在配線間距細(xì)小的情況下，探針可能會(huì)同時(shí)接觸多路Pattern Line，導(dǎo)致檢測(cè)困難。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種非接觸式液晶玻璃基板缺陷檢測(cè)方法，利用電路的分布電容完成信號(hào)檢測(cè)電路與Pattern Line之間的耦合檢測(cè)缺陷。

1 非接觸電學(xué)檢測(cè)與完全非接觸電學(xué)檢測(cè)原理

液晶玻璃基板在加工過(guò)程中，其導(dǎo)線可能會(huì)斷開，即斷路，如圖2a所示（淺色為導(dǎo)線）；也可能出現(xiàn)兩個(gè)導(dǎo)線粘連現(xiàn)象，也就是短路，如圖2b所示。由于導(dǎo)線斷路和短路的出現(xiàn)都將導(dǎo)致顯示屏顯示不正常，所以在工藝制作過(guò)程中需要及時(shí)檢查出來(lái)。

1.1 非接觸電學(xué)檢測(cè)原理

利用非接觸式檢測(cè)技術(shù)對(duì)液晶玻璃基板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，信號(hào)檢出端不使用探針，而是利用Pattern Line與電極之間的耦合電容檢出信號(hào)，如圖3所示。這種檢測(cè)方式的優(yōu)點(diǎn)是探針使用量減少了一半，同時(shí)對(duì)接觸式檢測(cè)的缺點(diǎn)有一定程度的克服；缺點(diǎn)是由于信號(hào)源端仍然采用了金屬探針，探針接觸液晶玻璃基板時(shí)引起電路損傷的風(fēng)險(xiǎn)及探針磨損和消耗的問(wèn)題未完全解決，并且在線路間距微小的情況下，金屬探針需要越來(lái)越精細(xì)化，制作難度大、成本高。

圖3 非接觸式檢測(cè)原理

1.2 完全非接觸電學(xué)檢測(cè)原理

完全非接觸電學(xué)檢測(cè)不使用探針進(jìn)行信號(hào)直接耦合，而是利用電路的分布電容完成信號(hào)檢測(cè)電路與Pattern Line之間的耦合，如圖4所示。分布電容的大小主要取決于電極與Pattern Line之間的垂直距離以及電極的形狀，同時(shí)也與Pattern Line 的寬度、間距有關(guān)。完全非接觸檢測(cè)等效電路如圖5所示。

圖5 完全非接觸檢測(cè)等效電路

圖5 中，Vi是信號(hào)源輸出電壓，C1是信號(hào)源端電極與Pattern Line間的電容，R1是Pattern Line 阻抗；C2是信號(hào)檢出端電極與Pattern Line間的電容，R2是信號(hào)檢出傳感器內(nèi)部阻抗；C3是放大器輸入等效電容，R3是放大器輸入等效電阻；VO是傳感器輸出電壓。

其中，

由圖4、圖5和式（1）可知，當(dāng)Pattern Line發(fā)生斷路時(shí)，R1變得無(wú)限大，檢出電壓接近零；當(dāng)Pattern Line與相鄰的Pattern Line發(fā)生短路時(shí)，由于相鄰的Pattern Line與地線之間存在分布電容，會(huì)分流一部分信號(hào)電流，這相當(dāng)于在Pattern Line與地線之間加入了旁路電容，導(dǎo)致輸出電壓下降，而且在對(duì)相鄰的Pattern Line進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，同樣會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。因此，在完整的檢測(cè)過(guò)程中，斷路缺陷表現(xiàn)為僅在一條Pattern Line上的檢出電壓大幅度下降，而短路缺陷則表現(xiàn)為相鄰的兩條或多條Pattern Line上的檢出電壓一定程度的下降，如圖6所示。

圖6 Pattern Line斷路和短路輸出電壓波形

2 完全非接觸電學(xué)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)

利用完全非接觸電學(xué)檢測(cè)方式對(duì)液晶玻璃基板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)頭在Pattern Line兩端均不與玻璃基板接觸，這不僅降低了劃傷液晶基板的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還避免了更換探針的需求，從而減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備稼動(dòng)率。

2.1 電學(xué)檢測(cè)設(shè)備缺陷點(diǎn)及位置的確定

完全非接觸電學(xué)檢測(cè)設(shè)備確定缺陷點(diǎn)及位置的步驟如下：

1）檢測(cè)玻璃基板缺陷點(diǎn)所在的具體Pattern Line位置，即確定在哪條Pattern Line上存在缺陷。

2）檢測(cè)缺陷點(diǎn)在Pattern Line位置（線的位置）上的具體坐標(biāo)，即確定缺陷點(diǎn)在Pattern Line上的具體位置。

2.2 電學(xué)檢測(cè)設(shè)備主要組成部分

完全非接觸電學(xué)檢測(cè)設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感器信號(hào)發(fā)射檢測(cè)與處理系統(tǒng)、CIM軟件系統(tǒng)組成。

2.2.1 機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)由設(shè)備承載平臺(tái)、檢測(cè)傳感器搭載平臺(tái)（龍門一）和NG傳感器搭載平臺(tái)（龍門二）等構(gòu)成，如圖7所示。

圖7 完全非接觸電學(xué)檢測(cè)設(shè)備

1）設(shè)備承載平臺(tái)包含架臺(tái)、大理石定盤及精密Stage。大理石定盤用于承載龍門及精密Stage，保證平臺(tái)的穩(wěn)定性；精密Stage用于承載受檢測(cè)的玻璃基板。為了增加設(shè)備的靈敏度，減小電磁干擾的影響，檢測(cè)電極（檢測(cè)傳感器內(nèi)）與Pattern Line要保證足夠近的距離，以增大分布電容，增強(qiáng)檢出信號(hào)的功率。由于分布電容與電極到Pattern Line的距離密切相關(guān)，因此要求電極到Pattern Line的距離必須保持在100μm左右，而且在全部檢測(cè)過(guò)程中此距離需保持一致。此外，承載玻璃基板的精密Stage需要在整張玻璃基板范圍內(nèi)保持很高的平面度。

2）龍門一安裝有檢測(cè)傳感器一（給電端）和傳感器二（受電端）。傳感器的承載結(jié)構(gòu)需要有一定的自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，可根據(jù)玻璃平面進(jìn)行微調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)電極與Pattern Line間的距離穩(wěn)定在100μm左右。傳感器一與傳感器二必須成對(duì)使用，以完成正常的檢測(cè)工作，用于檢測(cè)NG點(diǎn)所在的Pattern Line在玻璃基板上的具體位置（線的位置）。

3）龍門二安裝有傳感器三，傳感器三自身具有給電端及受電端，能夠完成給電及受電功能，能夠進(jìn)行更精密的檢測(cè)，用于確定NG點(diǎn)在Pattern Line位置（線的位置）上的具體坐標(biāo)（NG點(diǎn)的具體坐標(biāo)）。

在對(duì)玻璃基板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，龍門（龍門一和龍門二）需要橫向移動(dòng)（重復(fù)定位精度為±5μm），同時(shí)傳感器縱向移動(dòng)（相對(duì)于龍門）（重復(fù)定位精度為±5μm），以實(shí)現(xiàn)玻璃基板的全尺寸檢測(cè)。該機(jī)械系統(tǒng)可以檢測(cè)的最小線寬為3μm，最小Line Pitch為19μm。

2.2.2 精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制龍門及檢測(cè)傳感器沿著Pattern Line的橫向及縱向移動(dòng)。由于Pattern Line的寬度在微米級(jí)別，需要給電端和受電端的電極同步移動(dòng)，避免錯(cuò)位，這對(duì)兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)控制提出了很高的要求。為了更好地實(shí)現(xiàn)玻璃位置的調(diào)整、傳感器位置的調(diào)整以及其他輔助運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)系統(tǒng)的控制軸數(shù)最多可達(dá)到29個(gè)。

2.2.3 傳感器信號(hào)發(fā)射、檢測(cè)與處理系統(tǒng)

對(duì)應(yīng)于完全非接觸檢測(cè)原理的一整套信號(hào)發(fā)射、檢測(cè)與處理系統(tǒng)，包括工業(yè)PC、控制CPU、給電端高頻信號(hào)發(fā)生器、放大與整形電路、受電端弱信號(hào)調(diào)理、檢波、AD轉(zhuǎn)換電路等。

控制CPU受控于工業(yè)PC機(jī)，負(fù)責(zé)設(shè)定檢測(cè)過(guò)程參數(shù)并管理信號(hào)發(fā)生、信號(hào)采集的過(guò)程?？刂艭PU首先將采集到的數(shù)據(jù)上傳工業(yè)PC機(jī)，并由工業(yè)PC機(jī)運(yùn)行的軟件做出缺陷判斷，然后再綜合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)各軸的位置信息，生成檢測(cè)報(bào)告。檢測(cè)報(bào)告以文件形式上傳到CIM計(jì)算機(jī)。

2.2.4 CIM軟件系統(tǒng)

完全非接觸檢測(cè)設(shè)備只是液晶玻璃基板生產(chǎn)線上的眾多工藝設(shè)備的一種，而為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行，則必須具備智能化生產(chǎn)線集成功能。CIM軟件功能包括：與上位控制計(jì)算機(jī)通信、與玻璃基板搬運(yùn)機(jī)器人的協(xié)同、檢測(cè)過(guò)程的程序控制、向上位計(jì)算機(jī)提供設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視和運(yùn)行控制、檢測(cè)結(jié)果上傳等功能。

3 試驗(yàn)

如圖8所示，完全非接觸檢測(cè)原理的斷路/短路測(cè)試設(shè)備已經(jīng)開發(fā)成功，并在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的批量應(yīng)用，對(duì)平板顯示產(chǎn)業(yè)鏈的完善具有重要意義。

從試驗(yàn)及使用情況來(lái)看，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了液晶玻璃基板缺陷自動(dòng)檢測(cè)功能，相比光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，其可以避免Particle等異物誤檢，縮短檢測(cè)節(jié)拍時(shí)間，提高缺陷檢出率，降低設(shè)備成本和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。特別是對(duì)于細(xì)微斷線、層間短路和透明電極缺陷等問(wèn)題，完全非接觸電學(xué)檢測(cè)展現(xiàn)出了絕對(duì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖8 完全非接觸電學(xué)檢測(cè)設(shè)備

4 結(jié)論

本文針對(duì)液晶玻璃基板在加工過(guò)程中出現(xiàn)的短路和斷路現(xiàn)象、從而引起液晶顯示屏的質(zhì)量問(wèn)題，采用完全非接觸式檢測(cè)方法，利用電路的分布電容完成信號(hào)檢測(cè)電路與Pattern Line之間的耦合，實(shí)現(xiàn)了微米級(jí)寬度和間距的導(dǎo)線缺陷檢測(cè)。試驗(yàn)證明，該方法穩(wěn)定可靠、效率高。